<冶金传输原理> 新教师交流会说明 传输原理=流体力学（动量传输） + 传热学 + 传质学（三传） (不同领域传输原理内容差别较大—如单相流和多相流,高温和常温,高压和常压等)。 冶金传输与其他传输现象不同 ：多相流 -高温-难测-强烈动态等。 本次交流（90分钟课简化到30分钟）只能讲方法+思路+部分内容。 2017/3/22

<传输原理>课程特点: 1.数学多,抽象问题—形象化-实用化。 2 提高学生学习本课兴趣非常重要：用事实说明重要性 （如火箭项目和转炉过程等）。 3 讲授“方法”非常重要（解决复杂现象的方法） 传授“方法”比“知识和技术”更重要，如:不存在的现象假设其存在的理论意义：理想流体,黑体等。 4 告知学生本学科现状：不成熟和正在发展：如紊流流动，对流传热等（近似与精确等问题），意味有很多创新机会。 2017/3/22

（5）鼓励学生掌握计算机数值计算能力和实用英语，有助于本 课学习和将来发展。 （6）介绍和鼓励学生“创新”： 创新类型(原创+引进消化+集成) 改变思维：逻辑思维---创新思维 作业和考试中体现对“创新”的成绩偏重。 （7）提高演讲和提问能力 学生有机会讲（分组或每人讲），讲中讨论，提高交流和演讲水平；鼓励有条件同学提前参加科研。 （8）注意心理学问题: 师生平等、尊重学生; 教育学:教育者要了解教育者等 。   2017/3/22

建议： （1）教师加强科研实践积累和思考（静下心--深层次思考--外界嘈杂），积累经验和教训---保持和工业的密切联系，丰富自身专业实践知识和理论知识（交叉学科）----非常有利于提高课程讲授水平和丰富内容。 更多的科研实践，有利于教学和科研创新和教学相长-----研究型大学的教学需要。 （2）后续课：继续注重讲授科研和理论推导“方法”和注重学生能力的提高。 鼓励工科师生不间断工科实践。 2017/3/22

（ Transport Phenomena） 冶金传输原理 （ Transport Phenomena） 苍大强：cangdaqiang@metall.ustb.edu.cn 办公室：冶金生态楼806和810 办公电话：6233-3893 手机：138-0984-6739 北京科技大学冶金与生态工程学院 2017/3/22

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多相流模拟模型 2017/3/22 Press outlet Press inlet gas boundary Reaction zone slag boundary steel 多相流模拟模型 2017/3/22 8

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转炉炼钢工艺示意图 2017/3/22 10

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十分钟后熔渣在烘烤至1000℃时的保温容器中温度云图 3.5 熔渣在烘烤至1000℃的保温容器中的 降温规律 十分钟后熔渣在烘烤至1000℃时的保温容器中温度云图

十分钟后熔渣在烘烤1000℃时保温容器中的温度云图 3.7 表面补充热量计算 十分钟后熔渣在烘烤1000℃时保温容器中的温度云图 烘烤至1000℃时补热后的固液混合图

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1、什么是传输现象？ （横向学科及其作用） 冶金传输原理导论 历史与地位：60年代诞生，80年代进入中国大学。 基础课----专业基础课（主干课）----专业课 三传：传热 传质 传动量----物理过程 传热学 传质学 流体力学 （无静力学） 温度场 浓度场 速度场（设计，创新，改造，诊断等） 现象 = 三传一反 （物理+化学过程） 为化学反应输送所需。 还有没解决的问题：紊流，多相流，对流传热等。 冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？ 2017/3/22

提高化学反应速度、过程效率、开发新型反应 器等。 2、为什么研究传输现象？ 提高化学反应速度、过程效率、开发新型反应 器等。 科学技术研究不断深入的需要（化学—物理）。 问题：*如何搅拌高温钢水？（加料均匀和温度均匀） *转炉内钢水如何流动？动力何来？ *两船高速并行与两纸片间吹气的后果？ *等温室内条件下为何冬天和夏天人的感觉不一？ *气泡在钢水和铁水中的运动规律和作用？ * 加入钢水铁水中的粉料如何快速和均匀的混合？ * 钢水中的元素如何尽快扩散到整个容器 *高压流体在等径管中的流动速度规律是什么？ 2017/3/22

课程特点： 1）数学描述偏多； 2）理论性强，实践性也很强的课程。 问题： 1）缺试验课。 2）缺讨论课，双向交流锻炼不够。 3）创新能力、发现问题能力、分析问题能力、解决问题能力、动 手能力、理论结合实践的能力培养不够； 4）表达能力、演讲能力、撰文能力等培养不够。

冶金传输原理课程的内容 冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程动量-热量-质量的传输规律、传输机理和研究方法。主要内容包括冶金过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和质量传递三大部分。 重点和难点？抽象数学---形象化---联系实际 怎么学习“传输原理”？ 多看，多练，多想，多交流。 2017/3/22

1、冶金传输原理， 张先棹主编 冶金工业出版社 1995 2、冶金传输原理基础， 沈颐身 李保卫· 吴懋林 著 冶金工业出版社 2000 教材及参考书目： 1、冶金传输原理， 张先棹主编 冶金工业出版社 1995 2、冶金传输原理基础， 沈颐身 李保卫· 吴懋林 著 冶金工业出版社 2000 3、传递现象， R. B. 博德 等著， 戴干策等译 化学工业出版社 2004 4、（工程）流体力学， 多种版本 5、传热学，周筠清编，冶金工业出版社 6、传热学，杨世铭 （及其他多种版本）等。 考核方式： 1、作业 2、出勤 3、课堂表现：如回答问题、参与讨论等 4、答疑 5. 考试 答疑：每章一个晚上 7：00 pm开始，地点： 冶金生态楼 810 2017/3/22

动量传输 共10章 1.基本概念 2.积分方程（三传的平衡） 3.动量传输微分方程 4.管道流动 5.边界层流动 6.射流流动 7.可压缩气体流动 8.热气体流动 9.多相流流动 10.相似原理和模型研究方法 三传 共讲授 64 学时 动量基本占50%学时 = 32 学时 （10章） 平均每章3学时。 讲主要的原理，重点在应用，数学推导仅作少量介绍。

钢铁冶金生产流程 B.F. gas Converter gas Coke oven gas Iron ore Lime stone Coal Hot blast Oxygen Bottom gas Vacuum Slab Product (Hot coil) Water cooling Torpedo car Sintering Coke oven Blast furnace Converter Degasserer Tundish C.C. machine Hot strip mill Copper mould Water cooling 2017/3/22

高炉生产设备 2017/3/22

转炉炉口装料 转炉车间 2017/3/22

钢铁工业是一个涉及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。 特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散 冶金过程必然会涉及到以下现象： 物料的加热过程，物料的冷却过程 流体的流动状态、速度和流动动力 物料扩散、搅拌及其均匀性 动量传输、热量传输、质量传输 （流体力学）（传热） （传质） 2017/3/22

①“三传”具有共同的物理本质——都是物理过程。 为什么把“三传”放在一起讲 ①“三传”具有共同的物理本质——都是物理过程。 ②“三传”具有类似的表述方程和定律。 ③在实际冶金过程中往往包括有两种或两种 以上传输现象同时存在，它们既耦合又相互影响，构成了整个过程。 2017/3/22

学习冶金传输原理的基本目的： 第二，为将来所要研究和开发的冶金过程 第三，学习研究复杂过程理论和极端条件下的结果。 第一，学会透过现象看本质：深入理解各种传输现象的机理，为深层次理解冶金工艺过程奠定理论基础，对改进和优化各种冶金过程和设备的设计、操作及控制提供理论依据； 第二，为将来所要研究和开发的冶金过程 提供基础数学模型，以此为基础，可以对冶金过程进行模拟研究，掌握过程的“三场”，有利于控制过程，达到优化的目的，降低研发成本。 第三，学习研究复杂过程理论和极端条件下的结果。 2017/3/22

冶金传输原理－动量传输部分 流体 何为“动量”？其与“动能”有何区别？ 动量：mv， 动能：1/2mv2 动量传输的研究对象是什么？ 流动的 2017/3/22

本课重点讲”方法“，为的是提高同学的创新能力。 方法之一：不单一因素考虑和处理问题。 动量： mv 物体做机械运动的量度。动量传输=一个物体的机械运动转移为另一个物体的机械运动。 物体= 固体 + 流体 本课仅讲授流体的动量传输（固体内容已经学过）。 有人把“动量传输”称为“流体力学”（无静力学内容） 动量是矢量，可正可负，有方向性。 一个物体的动量只跟m与v有关=物体只跟当时的运动状态有关，而与达到此状态的过程无关。 （2）动能：1/2mV2 物体由于本身运动而具有的能量。 动能是标量，总是正值。 二者相同点：都用在“运动物体”上。 不同点：一是矢量，一是标量。 科研和考虑问题方法：非单一参数考量研究对象

第一章 基本概念 §1.1 流体的定义和特征 §1.2 流体作为连续介质的假设 §1.3 作用在流体上的力 表面力 质量力 第一章 基本概念 §1.1 流体的定义和特征 §1.2 流体作为连续介质的假设 §1.3 作用在流体上的力 表面力 质量力 §1.4 流体的密度 §1.5 流体的压缩性和膨胀性 §1.6 流体的粘性 §1.7 粘性动量通量 2017/3/22

§1.1 流体的定义和特征 一、流体的定义 自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态 具有流动性的物体（即能够流动的物体）。 u=V 流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。 u=V Moving plate Fixed plate y x u=0 Fluid t0 t1 t2 流体包括液体和气体 2017/3/22

§1.1 流体的定义和特征 一、流体的定义： 二、流体的特征 液体与气体的区别 具备流动性。 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。 二、流体的特征 具备流动性。 2017/3/22

§1.2 流体连续介质的假设 问题的引出： 微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。 怎么描述和用数学表达？ 宏观：一般工程中，所研究流体存在的空间尺度要比分子距离大得多。 2017/3/22

interacting molecules (Molecular Model) or as a continuum in which Fluid Modeling A fluid can be modeled in one of two ways: as a collection of individual, interacting molecules (Molecular Model) or as a continuum in which properties are defined to be continuous throughout space (Continuum Model). • Macroscale fluid mechanics is based on continuum model. But if the molecules are sparsely distributed relative to the length scale of the flow, assuming continuity of fluid and flow properties may lead to wrong results. • Consider measuring the density of a fluid for a certain sampling volume of space. 2017/3/22

§1.2 流体的连续介质假设 一、流体的连续介质假设 （方法之二） 连续介质定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视 一、流体的连续介质假设 （方法之二） Number density: N2 3x1025 m-3 , H2O 2x1028 m-3 Intermolecular spacing: N2 3 nm , H2O 0.4 nm Mean free path: N2 100 nm 连续介质定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视 为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。 流体微团必须具备的两个条件 必须包含足够多的分子；10的10次方个分子，构成为连续介质的最小物质单位。 体积必须很小。 2017/3/22

§1.2 流体的连续介质假设 二、采用流体连续介质假设的优点 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏 观运动。 2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。 2017/3/22

§1.3 作用在流体表面上的力 两类作用在流体上的力：1.表面力。 2 质量力。 一、表面力 流体或其他物体通过流体表面时，作用在流体上的力，其大小与作用面积成比例。 1.应力 单位面积上的力。 2017/3/22

§1.3 作用在流体上的力 表面力 （压力和剪切力） 2.法向应力和切向应力（压力和剪切力） 2017/3/22

§1.3 作用在流体上的力 二、质量力 （重力、惯性力、磁力等） 作用在流体内部每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。（也叫彻体力） 2017/3/22

§1.4 流体的密度 密度表征物体惯性的物理量。 一、流体的密度 流体重度： 单位体积流体所具有的质量。 常见流体的密度： 水——1.0×103 kg/m3 空气——1.23 kg/m3 水银——13.6×103 kg/m3 均匀流体： 单位：kg/m3 流体重度： 单位：N/m3 2017/3/22

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§1.4 流体的密度 二、流体的相对密度(比重） 流体的密度与4oC时水的密度的比值。 式中，f ——流体的密度（kg/m3） w——4oC时水的密度（kg/m3） 2017/3/22

§1.4 流体的密度 三、流体的比容 单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。 单位： m3/kg 2017/3/22

§1.5 流体的压缩性 一、流体的压缩性 流体体积随着压力的增大而缩小的性质。 1.压缩系数 单位压力增加所引起的体积相对变化量 2017/3/22

§1.5 流体的压缩性 二、可压缩性流体和不可压缩性流体 引起重要影响的参数！高压与常压流体的区别 可压缩流体和不可压缩流体 不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体 可压缩流体：考虑可压缩性的流体 2017/3/22

§1.6 流体的粘性 一、流体的粘性：引起重要影响的参数！ 1. 粘性的定义 流体内部各流体微团和层间之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质（与固体外表面接触时也有）。 (1) 库仑实验(1784) 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。 2017/3/22

§1.6 流体的粘性(续) 一、流体的粘性 1.粘性 (2) 流体粘性表现在： 流体运动时，内部各流体微团和层间之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度； 流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零（无滑移边界条件）。 2017/3/22

§1.6 流体的粘性(续) 一、流体的粘性 方法3 推导公式 2.牛顿内摩擦定律(或粘性定律)-----重点之一！！！ 一、流体的粘性 方法3 推导公式 2.牛顿内摩擦定律(或粘性定律)-----重点之一！！！ 牛顿内摩擦定律：试验证明粘性力正比与速度梯度。 实验表明，对于大多数流体，存在内摩擦力 引入比例系数μ，得： 粘性剪切应力 2017/3/22

§1.6 流体的粘性(续) 一、流体的粘性 2.牛顿内摩擦定律 (2) 牛顿内摩擦定律 牛顿内摩擦定律表明： ⑴粘性切应力与速度梯度成正比； (2)比例系数称动力粘度，简称粘度。另一粘度单位：运动粘度ⅴ 2017/3/22

牛顿内摩擦定律实质： 自上而下一层带动一层， 运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动， 运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层， 说明层间存在有摩擦力。 因为力存在于流体内部，故称为内摩擦力 A为两个流体层接触面的面积。 A B C B层上下受到的内摩擦力（或切应力）方向相反 2017/3/22

§1.6 流体的粘性(续) 一、流体的粘性 3.粘度 流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。 (1) 动力粘度 (2) 运动粘度(动量扩散系数） 2017/3/22

§1.6 流体的粘性(续) 一、流体的粘性 3.粘度 (3) 粘度的影响因素 温度对流体粘度的影响很大 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大。 2017/3/22

温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓ 液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。 温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓ 气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。 温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑ 压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。 2017/3/22

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§1.6 流体的粘性 二、粘性流体和理想流体（方法之三） 1.粘性流体 2.理想流体 具有粘性的流体（μ≠0）。 忽略粘性的流体（μ=0）。 Fluid Flow Moving fluids can exhibit laminar (smooth) flow or turbulent (irregular) flow. 二、粘性流体和理想流体（方法之三） 1.粘性流体 具有粘性的流体（μ≠0）。 2.理想流体 忽略粘性的流体（μ=0）。 一种理想的流体模型。 2017/3/22

§1.6 流体的粘性 三、牛顿流体和非牛顿流体 1.牛顿流体 2.非牛顿流体 符合牛顿内摩擦定律的流体， 如水、空气、汽油和水银等。 不符合牛顿内摩擦定律的流体， 如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。 2017/3/22

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§1.7 粘性动量通量 单位： 动量通量单位 应力单位 通量方向 单位时间通过单位面积的动量，称为动量通量。 2017/3/22

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